DIC技術(shù)用于橡膠材料拉伸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量

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石油是地質(zhì)勘探的主要對(duì)象之一，被稱為“工業(yè)的血液”。在石油鉆采的整個(gè)過(guò)程中，化工生產(chǎn)中，需用到彈性好、耐磨損的橡膠材料，例如封隔器、密封圈等。在石油化工生產(chǎn)中，橡膠密封圈裝置與設(shè)備是保證安全生產(chǎn)和長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要基礎(chǔ)保障。

橡膠作為密封材料，若在使用時(shí)密封壓力超過(guò)其載荷范圍，會(huì)致使橡膠密封圈零件變形，給裝置密封效果帶來(lái)一定的負(fù)面影響，泄漏量也會(huì)隨著壓力變化而變化。為了保證橡膠材料的載荷能滿足工程需要，需對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，不斷改進(jìn)材料性能，促進(jìn)石油化工事業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

一、測(cè)量需求

通過(guò)大變形拉伸實(shí)驗(yàn)，研究橡膠材料在拉伸應(yīng)力作用下的變形情況，結(jié)合試驗(yàn)的方法對(duì)橡膠材料與金屬材料的抗拉力學(xué)性能，結(jié)合有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)特殊材質(zhì)橡膠拉伸發(fā)生的應(yīng)力、形變和位移進(jìn)行測(cè)量，為提高橡膠材料綜合力學(xué)性能提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

二、原有檢測(cè)方法

原有解決方案

傳統(tǒng)的位移和應(yīng)變檢測(cè)方法往往采用引伸計(jì)與應(yīng)變片等接觸式方法進(jìn)行，精度較高，但應(yīng)變片需直接粘貼于式樣表面，并通過(guò)接線的方式與采集箱連接，使用繁瑣，且量程有限。

原有方案不足

如若針對(duì)于橡膠類材料的拉伸實(shí)驗(yàn)，由于材料本身的特殊性，不易黏貼應(yīng)變片，再加之橡膠拉伸變形大，普通的引伸計(jì)和應(yīng)變片量程不足，無(wú)法滿足測(cè)量要求。

三、新拓的DIC測(cè)量方案

橡膠材料屬于超彈性體，是不可壓縮且具有高度非線性的復(fù)合材料，應(yīng)力-應(yīng)變曲線不呈線性變化，其力學(xué)性能和物理屬性完全不同于金屬材料，具有復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系，難以用確切的力學(xué)模型進(jìn)行描述。

采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)非接觸式的位移、應(yīng)變測(cè)量，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上，對(duì)材料的彈性力學(xué)性能進(jìn)行研究，XTDIC系統(tǒng)在材料拉伸過(guò)程中同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用XTDIC分析軟件進(jìn)行全場(chǎng)位移和應(yīng)變的分析。

本次測(cè)試為橡膠類拉伸，考慮到式樣小且變形量大，故采用像素高達(dá)1200萬(wàn)（4096pixel*3000pixel）的工業(yè)相機(jī)。設(shè)置工業(yè)相機(jī)1秒23幀的采樣速率，試驗(yàn)機(jī)與工業(yè)相機(jī)同步開(kāi)啟，直至試樣斷裂，完成整個(gè)拉伸過(guò)程的采集。

1.金屬試件拉伸測(cè)試

金屬材料拉伸測(cè)試是金屬?gòu)?qiáng)度值的常用方法，通過(guò)分析金屬材料拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，可獲得金屬材料在不同階段所體現(xiàn)的力學(xué)性能特征，以便于更好地掌握金屬材料的載荷能力。

被測(cè)試樣為帶有預(yù)制孔的金屬材料，通過(guò)XTDIC系統(tǒng)軟件計(jì)算獲得金屬材料的位移場(chǎng)：

通過(guò)XTDIC系統(tǒng)軟件計(jì)算區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的位移，然后再根據(jù)全場(chǎng)位移計(jì)算得到被測(cè)金屬材料的應(yīng)變場(chǎng)：

2、特殊材質(zhì)橡膠試件拉伸測(cè)試

石油化工對(duì)橡膠材料橡膠產(chǎn)品的使用壽命、品質(zhì)要求嚴(yán)苛，對(duì)橡膠拉伸性能的考察就成為了橡膠質(zhì)量好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)特殊材質(zhì)橡膠拉力測(cè)試，可分析材料的力學(xué)性能，如伸長(zhǎng)量、應(yīng)力、應(yīng)變、破壞值等。

由于橡膠材料的不均勻性，使負(fù)載分布不均勻，應(yīng)力集中形成局部斷裂點(diǎn)，同時(shí)生成微裂縫；微裂縫聚集成大的主裂縫，從而引起最終的斷裂。采用XTDIC系統(tǒng)軟件對(duì)采集圖像和目標(biāo)圖像進(jìn)行分析，輸出被測(cè)橡膠試件的變形位移場(chǎng)：

對(duì)待測(cè)試件的位移場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)平滑處理，對(duì)平滑處理后的位移場(chǎng)進(jìn)行差分處理輸出高精度應(yīng)變場(chǎng)：

基于試驗(yàn)機(jī)拉伸載荷數(shù)據(jù)，XTDIC系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算載荷和原始面積、伸長(zhǎng)和原始標(biāo)距，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線：

3.方案價(jià)值

在材料數(shù)值模擬中，由于特殊體質(zhì)橡膠材料特性具有不確定性，在相同結(jié)構(gòu)模型的兩個(gè)樣本上測(cè)試，可能顯示出各異的動(dòng)態(tài)行為。另外，在特殊體質(zhì)橡膠和金屬材料的拉伸性能測(cè)試中，可以看出橡膠材料的彈性特性相比金屬材料有著明顯優(yōu)勢(shì)。

試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，新拓三維XTDIC全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)適用于測(cè)量材料拉伸大變形測(cè)量，系統(tǒng)配置工業(yè)相機(jī)精度足夠高，可以測(cè)量細(xì)小體積材料的大變形，通過(guò)對(duì)比有限元數(shù)值模擬和DIC的數(shù)據(jù)結(jié)果，來(lái)修正數(shù)值模型數(shù)據(jù)，以達(dá)到在石油化工所涉及橡膠制品的技術(shù)參數(shù)、工藝性能需求。